Untersuchungen zur Herstellung von Biokunststoffen durch enzymatische Vernetzung von Proteinen aus nachwachsenden Rohstoffen

Biologisch abbaubare Materialien auf Basis nachwachsender Rohstoffe besitzen ein großes Potential für verschiedenste Anwendungen, da sie fossile Rohstoffe schonen und Entsorgungsprobleme beheben. Kommerziell werden bereits einige Polymere beispielsweise als Tragetaschen oder Verpackungen verwendet. Polymilchsäure, die auf Basis von Stärke bzw. Zucker gewonnen wird, nimmt dabei eine Vorrangstellung ein.Bei der Stärkeherstellung fallen mehrere Tausend Tonnen Proteine im Jahr als Nebenprodukte an, die bisher überwiegend als Futtermittel vermarktet wurden. Ziel dieser Arbeit war es, diese Pflanzenproteine hinsichtlich ihrer Eignung zur Herstellung von Proteinfilmen zu bewerten. Die Proteinfilme wurden dabei mittels mikrobieller Transglutaminase (MTG) quervernetzt und bezüglich einer Anwendung in der Landwirtschaft als beispielsweise Mulchfilme mit praxisnahen Untersuchungen charakterisiert.Proteine aus Erbse und Kartoffel ließen sich durch ein Gießverfahren zu Filmen verarbeiten und waren mittels MTG quervernetzbar. Aufgrund geringer Löslichkeit in 20 mM Tris/HCl- Puffer pH 7 war eine Filmbildung mit Proteinen aus Mais, Weizen, Raps sowie Roggen nicht möglich. Die tierischen Proteine Na-Caseinat und Gelatine dienten als Vergleichsmaterialien. Eine enzymatische Quervernetzung mittels MTG führte zur Erhöhung der Filmtransparenz. Neben den Zugeigenschaften wurden erstmalig von den Proteinfilmen die Widerstände gegen ein Weiterreißen und Durchstoßen gemessen. Die Zugeigenschaften der besten Filme aus pflanzlichen Proteinen waren zum Teil vergleichbar mit den Werten tierischer Proteine und kommerzieller Filmen. Die Weiterreißeigenschaften lagen 80-95 % unter denen von kommerziellen Filmen. Durch Einsatz von Polyethylenglykol (MW 300 g/mol) als Weichmacher und einer enzymatischen Quervernetzung mittels MTG erfolgte eine erste Optimierung. Zudem wurde festgestellt, dass die Filmherstellung mit ausschließlich löslichen Proteinen eine positive Auswirkung auf die mechanischen Eigenschaften hatte. Proteinfilme besaßen hingegen im Vergleich zu kommerziellen Kunststoffen einen höheren Widerstand gegen biaxiale Durchstoßbeanspruchung.Durch die enzymatische Quervernetzung konnte die Wasserlöslichkeit der Proteinfilme erheblich reduziert werden. Wie mit einem erstmalig durchgeführten Bewitterungstest im Gewächshaus mit Beregnung gezeigt werden konnte, wurde die Beständigkeit der Filme gegen Beschädigung durch Regen von null auf vier Tage erhöht. Dabei wurde allerdings ein Herauslösen des Weichmachers Glycerin beobachtet, das zu einer Versprödung der Filme führte. Zur Erhöhung der Hydrophobizität konnte erfolgreich eine Beschichtung mit Bienenwachs angewendet werden. Aufgrund der enzymatischen Quervernetzung erfolgte ebenfalls eine Verzögerung der Abbaubarkeit im Boden von null auf vier Tage. Im Falle von Gelatine-Filmen konnte sie sogar auf mehr als sieben Tage verlängert werden. Bei der Untersuchung der Pflanzenverträglichkeit von Proteinfilmen konnte ein Düngeeffekt beobachtet werden - Mais und Tagetes zeigten eine Erhöhung der Frischmasse nach vier Wochen Kultivierung auf Proteinfilmen. Die Pflanzen konnten vermutlich den beim Abbau von Protein freiwerdenden Stickstoff zum Wachstum nutzen.Schlussfolgernd kann gesagt werden, dass tierische sowie pflanzliche Proteine prinzipiell für eine Filmherstellung geeignet sind. Die enzymatische Quervernetzung mittels MTG ist dabei aufgrund der überwiegend positiven Einflüsse auf die Eigenschaften von Proteinfilmen eine geeignete Methode zur Optimierung der Filmeigenschaften. Zudem eignen sich die Proteinfilme beispielsweise als Düngefilme, dessen relativ schneller Abbau (Tage-Wochen) Düngemittel freisetzt. Neben dem proteingebundenen Stickstoff können zusätzlich in die Filme eingebrachte Düngemittel (z.B. Harnstoff) verwendet werden. Für die spezielle Anwendung als Mulchfilm besteht hinsichtlich der mechanischen Stabilität sowie der Witterungsbeständigkeit Optimierungsbedarf.Das eingesetzte Erbsenprotein